Інтегральний датчик прискорення та спосіб його виготовлення

УКРАЇНА МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ UA (11) 29594 (51) (19) 6 G01P15/00, 15/02 ОПИС ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (13) A видається під відповідальність власника патенту (54) ІНТЕГРАЛЬНИЙ ДАТЧИК ПРИСКОРЕННЯ ТА СПОСІБ ЙОГО ВИГОТОВЛЕННЯ сталлической кремниевой пластине пленок SiO2, вскрытие окон в SiO2 для опорных контактных площадок, нанесение пленки поли-Si*, вытравливание SiO2 под участками поли-Si* и создание подвижной мембраны, отличающийся тем, что формируют окна в пленках SiO2, в которых травят исходную пластину из монокристаллического кремния, в области изоляции вокруг пробной массы, формируют пленки SiO2, осаждают поли-Si*, шлифуют моно-Si до вскрытия пленок SiO2 и поли-Si*, вытравливают пленки SiO2 в зазоре между поли-Si* и моно-Si, формируют интегральные полупроводниковые приборы и измеряют электрические характеристики упругих элементов и емкостного зазора. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что на исходной пластинке с пленкой SiO2, в которой сформированы окна под опорные контактные площадки, формируют пленку Si3N4, а окна для травления моно-Si формируют в пленках Si3N4 и SiO 2. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что элементы конструкции формируют травлением моноSi до осаждения пленки поли-Si* и после осаждения и полировки поли-Si*. Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым приборам для измерения ускорения и технологии их изготовления, может применяться в машиностроении и автомобилестроении. Известен датчик ускорения и способ его изготовления (Мэзон У. Полупроводниковые преобразователи. В кн. "Физическая акустика" под ред. У. Мэзона т. 1., часть Б - "Методы и приборы ультразвуковых исследований" Пер. с англ. - М. Мир, 1967, с. 139-209). Датчик ускорения состоит из основания и пробной массы, соединенных между собой при помощи упруги х балок, в которых формируют полупроводниковые элементы, электрические характеристики которых характеризуют деформацию балок, возникающую при перемещении инерционной пробной массы. Постоянная упругости перемычек определяет силу демпфирования, от которой зависит величина перемещения массы (чувствительность датчика). Смещение пробной массы во время ускорения в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, пропор ционально величинам ускорения и массы. Недостатком такой конструкции датчика является его большая площадь из-за наличия сильно развитой поверхности сo сквозными отверстиями между основанием и пробной массой; кроме того, наличие сквозных отверстий приводит к ухудшению воспроизводимости размеров элементов конструкции и, соответственно, к уменьшению точности определения величины ускорения. Недостатком прибора является также сложность его температурной настройки. Способ изготовления датчиков данной конструкции включает: травление полупроводниковой пластины, формирование мембраны, центральная часть которой имеет утолщение, служащее инерционной массой. Мембрану протравливают насквозь, оставляя в ней только небольшие несущие перемычки, в которых выполняют диффузионные пьезорезисторы. Недостатком данного способа является сложность совмещения операций формирования объемных структур со стандартной технологией изготовления интегральных схем. (19) UA (11) 29594 (13) A (21) 95052574 (22) 30.05.1995 (24) 15.11.2000 (33) UA (46) 15.11.2000, Бюл. № 6, 2000 р. (72) Горбань Олександр Миколайович, Кравчина Віталій Вікторович (73) ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (57) 1. Интегральный датчик ускорения, включающий основание и инерционную пробную массу, образующие между собой емкостной зазор; опорные контактные площадки, соединенные через упругие балки с пробной массой и неразрывно с основанием, отличающийся тем, что емкостной зазор задают от 10-3 мкм до 102 мкм, а основание, толщиной 50-600 мкм, изготавливают из поликремния, инерционную пробную массу, упругие балки и опорные контактные площадки, толщиной 0,1600 мкм - из монокристаллического кремния, при этом упругие балки соединены с пробной массой с 4-х сторон и содержат интегральные полупроводниковые приборы. 2. Способ изготовления интегрального датчика ускорения, включающий формирование на монокри 29594 В качестве прототипа выбран интегральный датчик ускорения и способ его изготовления (Ф. Гудинаф. Интегральный датчик ускорения для автомобильных надувных подушек безопасности. Журнал "Электроника" № 16 1991 г. стр. 7-14). Датчик состоит из основания, пробной массы с упругими балками, соединенными с основанием через области контактных площадок. Основание содержит элементы, расположенные на расстоянии 1 мкм от элементов пробной массы, что позволяет определить изменение емкости пропорционально смещению пробной массы параллельно поверхности и измеряемой между элементами пробной массы и неподвижными элементами основания, располагаемыми с противоположных сторон пробной массы. Недостатком датчиков ускорения такого типа является то, что конструкция предусматривает две степени свободы пробной массы. Смещение пробной массы в перпендикулярном к поверхности направлении вносит ошибку в определение величины ускорения. Кроме того, формирование рабочего зазора для перемещения пробной массы, размером £1 мкм, определяет верхний предел величины пробной массы и приводит к снижению чувствительности датчика. Формирование зазора при помощи процессов фотолитографий, травления предусматривает целый ряд уходов размеров, ухудшающи х точность задания величины зазора. Способ изготовления датчиков данной конструкции включает формирование на кремниевой пластине пленок Si3N4 и SiO2 вскрытие окон в SiO2, нанесение пленки поли-Si*, вытравливание SiO2 под участками поли-Si* и создание подвижной мембраны из поли-Si*. Недостатком способа является применение изоляции р-n переходом, что приводит к увеличению паразитных емкостей и уменьшает температурную стабильность. Формирование зазора £1 мкм требует сложного оборудования при изготовлении шаблонов, масок, накладывает ограничения на толщины пленок поли-Si*. При травлении толстых пленок поли-Si* увеличивается подтрав под маску и увеличивается уход размера от 1 мкм, что вносит ошибку при измерении ускорения. Задачей данного решения являлась разработка конструкции и способа изготовления интегрального датчика ускорения, позволяющего контролировать ускорение с высокой точностью и надежностью. Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и надежности прибора, что достигается за счет задания и определения величины емкостного зазора и контроля измеряемой величины несколькими независимыми способами. Разработанный интегральный датчик позволяет определить ускорение двумя независимыми способами. Первый - с помощью контроля электрических характеристик полупроводниковых приборов, выполненных в упруги х элементах, удерживающих инерционную пробную массу. Второй способ - контроль изменения электрической емкости между основанием и инерционной пробной массой. Технический результат от использования способа изготовления датчика заключается в воз можности формирования рабочего зазора и повышении технологичности изготовления интегрального датчика. Предлагаемый датчик ускорения включает: основание, инерционную пробную массу, упр угие балки, с расположенными в них полупроводниковыми приборами. Инерционная масса удерживается на расстоянии от основания при помощи упругих балок. Расстояние между основанием и пробной массой задается от 10 Å до 105 Å в зависимости от назначения датчика, что стало возможным благодаря предлагаемому способу изготовления. Сопоставление предлагаемого датчика с прототипом показывает, что пробная масса и упругие балки, толщина которых составляет 0,1-500 мкм изготовлены из монокристаллического кремния, что обеспечивает широкий диапазон изменения толщины пробной массы и возможность определения деформации упругих балок. Основание изготавливают из поли-Si*, толщиной 100-800 мкм, что обеспечивает возможность точного задания емкостного зазора и крепления датчика. Упругие балки содержат интегральные полупроводниковые приборы, что позволяет определять ускорение по электрическим характеристикам этих приборов независимо от определения ускорения по изменению емкости емкостного зазора. Пробная масса имеет не две, как в прототипе, а одну степень свободы, что позволяет точнее определить ускорение, это достигается за счет того, что балки имеются с 4-х сторон пробной массы. Упругие балки и основание соединяют через диэлектрические пленки, что уменьшает паразитные емкости и токи. Зазор между пробной массой и основанием выполняют равным величине отклонения пробной массы при критическом ускорении, что позволяет фиксировать определенную величину ускорения простым электрическим измерением. Предлагаемая конструкция позволяет создать интегральный датчик с повышенной точностью и надежностью измерения ускорения за счет применения нескольких независимых способов фиксации ускорения. Зазор между пробной массой и основанием может быть выполнен равным величине, соответствующей отклонению пробной массы при критическом ускорении, что приводит к электрической закоротке, при соприкасании пробной массы и основания в момент достижения величины критического ускорения. Способ изготовления интегрального датчика ускорения включает: формирование пленки SiO2, определенной толщины на пластине Si, вскрытие окон в SiO2, нанесение пленки Si3N4, травление Si3N4, SiO2 , Si в области изоляции вокруг мембраны, окисление Si и получение SiO2 в области изоляции, осаждение поли-Si*, шлифовку моно-Si до поли-Si* и вскрытие SiO2 в области изоляции, изготовление интегральной схемы управления, реагирующей на деформацию кремния, травление пленки SiO2 под мембрану, разделение пластины на кристаллы, посадку кристаллов в корпус. Сопоставление предлагаемого способа с прототипом показывает, что он отличается тем, что формирование пробной массы датчика проводят путем травления Si3N4, SiO2, Si в области изоляции вокруг пробной массы, формирования пленки SiO2, осаждения поли-Si*, шлифовки моно-Si до 2 29594 вскрытия пленки SiO2 над поли-Si*, вытравливания пленки SiO2 в зазоре между поли-Si* с пленкой Si3N4 и моно-Si. Рассмотренные выше существенные отличия позволяют получать интегральные датчики с зазором между основанием и пробной массой от 10 Å до 105 Å в зависимости от назначения датчика, что позволяет контролировать ускорение с высокой точностью и надежностью. Формирование пробной массы из моно-Si позволяет изменять ее величину в больших пределах, а формирование рабочего зазора путем травления SiO2 позволяет воспроизводить его величину с высокой точностью, определяемой точностью осаждения пленки SiO2, что обеспечивает повышение точности измерений. На фиг. 1 показана кремниевая пластина 1 с пленкой SiO2 2 (с вытравленными окнами) и пленкой Si3N4 3. На фиг. 2 показана кремниевая пластина 1 c ямками травления в Si 4, защищенными пленкой SiO2 5. На фиг. 3 показана кремниевая пластина 1 с пленкой поли-Si* 6. На фиг. 4 показана кремниевая пластина после полировки моно-Si 1, травления SiO2 2 и 5 в рабочем зазоре 7, с выполненными упругими перемычками 8, инерционной массой 9, контактными площадками 10. На фиг. 5 показана пластина 1, на которой вытравлен требуемый рельеф. На фиг. 6 показана пластина 1 с пленкой SiO2 2 толщина которой определяет рабочий зазор 7. На фиг. 7 показана структура со вскрытыми окнами 11 в SiO2 2 над Si контактными площадками 10 и другими местами соединения Si 1 с поликристаллическим Si* 6 (см. фиг. 8). На фиг. 9 показан рабочий зазор 7, образующийся при вытравливании SiO2 2 под пробной массой 9 и перемычками 8, над областями 9 Si 1, соединенными с поли-Si* 6 формируют металлические контактные площадки 12. На фиг. 10 - фиг. 13 показаны способы формирования интегрального датчика ускорения при котором толщина мембраны формируется при помощи травления рельефа Si до и после полировки, причем травление рельефа Si на исходной пластине проводится на разные глубины. Такой способ позволяет формировать симметричные упругие перемычки 8, что делает и х упругие свойства одинаковыми для обеих направлений отклонений инерционной массы 9. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: на кремниевую пластину 1 КЭФ1 (100) осаждают пленку пиролитического окисла SiO2 -2, толщиной 2 мкм, в которой в процессе фотолитографии выполняют окна К Si 1, в области контактных площадок 10, после чего формируют сплошную пленку Si3N4 3 толщиной 0,16 мкм. Выполняют маску из фоторезиста и проводят травление Si3N4 3 и SiO2 2 в области формирования изоляции. После удаления фоторезиста проводят травление кремния 1 в анизотропном травителе для (100) на требуемую глубину - 0,15 мкм. При помощи термического окисления формируем пле нку SiO2 5 на V-образных поверхностях углублений под изоляцию. Осаждают толстую пленку поли-Si* 6 толщиной (от 100 - до 600 мкм) 500 мкм. Кремниевую пластину полируют со стороны моноSi 1 до вскрытия SiO2 5 V-образных углублений. После чего проводят операции создания интегральной схемы определения электрических характеристик упругих элементов 8 пробной массы 9 и относительно подложки из поли-Si* 6. Затем проводят травление пленок SiO2 5 и 2. В процессе травления формируют рабочий зазор между пробной массой из моно-Si 1 и пленкой Si3N4 3 на поверхности поли-Si* 6. Пример конкретного изготовления интегрального датчика ускорения На пластинах Si 1 КЭФ 1 (100) Æ76 мм толщиной 500 мкм формируют маску из Si3N4 и вытравливают рельеф, намазанный на фиг. 5. Ямки травления формируют в областях изоляции мембраны, скрайберных дорожек, окон для вытравливания SiO2 на глубину 50 мкм. После чего осаждают пленку пиролитического окисла SiO2 2 (ФСС) толщиной 2 мкм (фиг. 6). При помощи операций фотолитографии в пленке SiO2 2 формируют окна 11 к пластине 1 (см. фиг. 7). Затем осаждают пленку толстого пиролитического кремния 6 (фиг. 8) толщиной 400 мкм. С помощью операций шлифовки, полировки, химического травления пластину моноSi 1 утоняют до толщины от 62 мкм, вскрывают окна и травят кремний 1 до пленки SiO2 2 вне контактных площадок 10, перемычек 8 и пробной массы 9, удаляют химическим травлением пленку 2. Формируют рабочий зазор 7 между пробной массой 9 и поли-Si* 6 (фиг. 9). При вскрытии окон к SiO2 2 остаются перемычки 8 Si 1, соединяющие Si 1 контактные площадки 10 с пробной массой 9. Перед вытравливанием SiO2 2 проводят диффузию бора и формируют на перемычках 8 тензорезисторы 13 (фиг. 9). При измерении ускорения фиксируют изменение сопротивления тензорезисторов или изменение емкости пробной массы 9 и основы из поли-Si* 6 возможно отдельное и одновременное измерение обеих параметров. В ряде случаев при изготовлении датчиков ускорения по способу, описанному выше удобно заранее задавать толщину пробной массы и по достижению такой толщины полировку или травление заканчивать, это достигается путем формирования исходного рельефа с разной глубиной ямок травления (поз. 14, 15). В области дорожек скрайбирования 15 глубина рельефа максимальна 100 мкм (фиг. 10). После осаждения и проведения фотолитографии по SiO2 2 толщиной 4 мкм (фиг. 11), осаждают пленку поли-Si* 6 толщиной 400 мкм и проводят полировку Si 1 до вскрытия SiO2 2 в области скрайберных дорожек 15, толщина пробной массы 9 при этом составляет 100 мкм (фиг. 10). После этого проводят травление Si 1 в области перемычек 8 и вскрытия окон для вытравливания SiO2 2. Проводят диффузию бора и формируют тензорезисторы 9 (фиг. 13). Напыляют пленку Al и формируют металлические контактные площадки 12. После чего вытравливают SiO2 2 и формируют рабочий зазор 7. 3 29594 Фиг. 1 Фиг. 2 Фиг. 3 Фиг. 4 Фиг. 5 Фиг. 6 Фиг. 7 Фиг. 8 Фиг. 9 Фиг. 10 Фиг. 11 Фиг. 12 4 29594 Фиг. 13 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5